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摘 要：本文主要分析了无锡地铁1号线母线高速断路器箱的结构设计，详细阐述了柜体结构及外观的改进以及门结构及密封形式的统一。并应用仿真软件对母线高速短路器箱进行了结构强度仿真，表明该柜体的结构及外观的改进符合强度要求。
关键词：柜体外观；门结构；密封形式；改进；结构仿真
0引言
随着轨道交通行业的迅速发展，我们产品性能方面与发达国家的差距逐渐减小，一些产品甚至更有赶超之势，在国际市场上，我们的产品总在低价徘徊，即使与国外产品性能相似，但价格只是国外的几分之一，我认为除了技术之外，我们对国内产品的外观设计也应引起足够的重视。
目前城轨柜体的外观改进受到公司领导的极度重视，并对柜体外观改进进行了多次专题研讨。随着公司各类柜体产品生产规模的进一步扩大，柜体的美观以及制定统一的设计规范、确定统一的门的结构形式，是很有必要的。统一规范的制定也在很大的程度上减少了设计者的工作量。
出于对柜体的美观性，门的稳定性、密封性，工艺的可实施性，操作的方便性；及其适用范围和制造成本等方面的考虑，现对城轨柜体结构及外观改进进行详细分析。
1框架结构及外观的改进
框架的结构形式是影响整体外观质量的主要因素之一，现以无锡地铁1号线母线高速短路器箱为例，阐述在骨架结构设计方面做的改进。
改进前：U型梁焊接在U型底板上，形成受力框架；顶板折弯与顶横梁、顶侧梁焊接，U型顶竖梁焊接在底板上，从而形成柜体的总框架。
未改进前柜体框架存在问题：1）U型梁焊接在底板上，底板上的焊缝较多，热输入大，导致底板收缩严重，变形大，焊缝布置的不均匀也导致外观质量不好。2）侧板、顶板四周折弯后与骨架焊接，焊缝多，热输入大，导致侧板收缩严重，变形大，导致表面凹凸不平，需要采用火焰调平，而调平留下的斑点及打磨的痕迹，严重影响外观质量。3）此焊接方式调平后留下的大量凹凸不平的斑点及砂轮抛光痕，喷漆前柜体外表面平整度很差，油漆过程中需要整个表面刮涂大约1-2mm厚的腻子，才能修补平整。腻子层影响了降低了涂膜质量，也降低了生产效率。而且内表面不能刮涂腻子修补，油漆后这些缺陷更加明显，外观较差。
改进后柜体框架结构：使用U型梁及折弯板撘好受力的框架；表面采用蒙板与框架塞焊；板上只焊不受力的扎线杆或接地螺柱等小器件。
改进后柜体框架优点：1）用U型梁及折弯板撘好受力的框架，底板以塞焊的形式与框架上的梁相连接，从而底板上的焊缝很少，热输入小，收缩变形很小整体比较美观。2）侧板和顶板为平板结构，采用塞焊的形式与骨架相连，焊接方法为TIG焊，热输入小，变形小，不需要火焰调平，表面的外观质量良好。3）采用塞焊的形式与骨架相连，变形小，不需要火焰调平，表面的外观质量良好，柜体外表面除焊缝部位其它表面无需刮涂腻子，产品的外观质量得到提升，同时也保证了最终的涂膜质量。
针对柜体的外观设计，提出以下几点建议，为后续产品设计提供参考。1）在不影响强度的前提下，尽量减小顶板和侧板的焊缝，采用框架蒙皮结构或焊接铆接结构相结合的方法。2）在保证结构的承载能力的条件下，尽可能减少不必要的焊缝或将焊接结构改成铆接、螺栓连接结构，已减少变形。3）承载力较小的焊缝，尽可能采用TIG、电阻焊等热输入较少的焊接工艺。
2 门结构密封形式的统一
现城轨领域产品门结构存在问题：门结构及密封形式种类繁多，对产品规范化设计带来不利影响。针对此现象我司对门结构及密封形式进行了规范化设计。
针对之前门结构及密封形式的不足，对城轨产品门结构做了如下改进点：首先门挂钩和门把手相连，增加了门把手的受力强度，其次，门板冲压加强筋，增加了门的强度，并在门板的两侧增加了防脱落措施。
门的密封形式：在之前的地铁项目中，所使用过的密封形式如图2-4所示，这三种密封方式各有利弊，下面详细介绍一下以下三种密封方式的优缺点：
密封形式一：如图2-4，用一层密封条（密封条为海绵橡胶条（ISO29＼＼5*23），此种密封条的压缩量为2mm，每米的价格大概在7元左右），柜门与门框间用锁压紧，从而起到了密封的作用。工作原理：当水从门板与柜体的缝隙流入时。大部分水会被柜体上的反折弯边所阻拦，之后，从柜体四个方向上的反折弯边所组成的流通通道流走；而一小部分水会接触到密封条，如门框与密封条间有间隙，这部分水则有可能会渗入到柜内。优点：该密封方式同时适用于大、小两种箱体结构。大接触面压紧密封，结构简单，便于安装。成本较低。缺点：门框加工难度较大，焊接变形较大，焊后需要较严格的整形处理。不适用于厚钢板的加工。
密封形式二：如图2-4，用两层密封条（密封条为海绵橡胶条LS1022 ＼＼10*22，此种密封条的压缩量为3mm，每米的价格大概在12元左右；海绵橡胶条4504，压缩量为2mm， 14元/米），柜门与门框间用锁压紧，从而起到了密封的作用。工作原理：當雨水淋溅到柜体上时，由于外层密封条的主要保护作用，水很难从门板与柜体的缝隙间流入，很少一部分流入的水还会受到内层密封条的辅助保护作用。但流入的这部分水没有流通通道可以流出，其会与内层密封条长期接触，如门框与密封条间有间隙，水则有可能会渗入到柜内。优点：该种密封方式，大接触面压紧的外层主要保护+折弯边插入到密封条内部的内层辅助保护，双重保护措施，理论上的防尘防水效果比较好。缺点： 两种密封条与柜门、柜体的配合尺寸要求，以及柜体与外层密封条接触面的平面度要求都很高。如若控制不当，会导致外层密封条（此种密封条质地较硬）失去作用，最终导致密封失效。
密封形式三：如图2-4，用一层密封条（密封条为硅密封条15*10，此种硅密封条压缩量为6mm，每米的价格大概在30元左右），柜门与门框间用锁压紧，从而起到了密封的作用。。工作原理：当水从门板与柜体的缝隙流入时。水可以大面积地接触到密封条，如门框与密封条间有间隙，水则有可能会渗入到柜内；但因密封条的阻拦，大部分水会从柜体的折弯边与门的密封条所组成的流通通道流走。优点：该密封方式同时适用于大、小箱体结构。折弯边深插入到密封条内部密封，结构简单，便于安装。适用于厚钢板的加工。缺点：该密封方式容易对密封条造成破坏，使其失去密封性。且此种密封条每米的价格大概在30元左右，成本较高。 综上所述，针对无锡地铁项目，我们所采用的门结构为第三种密封形式，此种密封形式对密封条的弹性要求较高，在此项目上密封条全部更换为新的橡胶密封条，引进了苏州戴乐克工业锁具有限公司的密封条，并试验验证，此密封条防水性能较好且橡胶密封条弹性较高，满足门的密封要求。从而，在此项目上也实现了门结构和密封形式的统一。
3 结构强度仿真分析
无锡地铁1号线母线高速断路器箱吊装在车底下。其柜体结构强度、振动模态和疲劳寿命对内部电气设备的影响及行车安全至关重要。并对柜体进行结构静强度、振动模态、瞬态动力学和随机振动疲劳的仿真，来验证柜体是否满足设计要求。
有限元分析采用mm、N、tone、s单位制，输入参数时均需转换到该单位制。柜体材料0Cr18Ni9的机械性能参数为：密度7.8e-9tone/mm3、弹性模量2.0e5MPa、泊松比0.3、屈服强度205MPa。静强度分析根据TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及实验鉴定规范》规定的载荷——客车车体内外设备及其紧固零件应按相当于下列加速度的惯性力进行强度考核：纵向3g，横向1g，垂向3g（包括重力），其中g为重力加速度。此时所产生的三个方向的合成应力不得大于材料的屈服极限。
模态分析是计算柜体结构固有频率和确定柜体结构的振动形式，从而判断结构的整体或局部刚度。除安装座约束外，不用施加载荷。
瞬态动力学分析采用GB/T 21563-2008 规定的冲击加速度载荷——施加一系列持续时间为D、峰值为A 的单个半正弦脉冲加速度（见图3-1）。该变流器属于标准中规定的1 类A 级车体安装设备。垂向、横向和纵向冲击加速度幅值A 分别为30、30 和50m/s2，标称持续时间D 均为30ms。在计算时，还需要考虑柜体和安装电气设备有自重的影响。
随机振动分析采用GB/T 21563-2008 规定的ASD 频谱（见图3-2）。设备应该经受总共15h 的试验，三个互相垂直的方向分别做5h。变流器重量约为145kg，因此选取f1=5Hz、f2=150Hz。疲劳分析是在随机振动分析得到结构1σ、2σ、3σ Von Mises 最大应力的基础上，利用材料的S-N 曲线，并根据Steinberg 理论（结构在随机载荷作用下的响应是基于高斯分布）和Miner 线性疲劳累计损伤理论进行计算，从而对变流器柜体的疲劳寿命进行预估。假设材料为各向同性材料。在上述分析類型中为小变形、弹性分析类型。
仿真过程中，使用Pro/E野火5.0进行三维模型处理，HyperMesh9.0进行有限元模型前处理，ANSYS12.0进行计算及后处理。
仿真结果如下：
（1）最大应力小于材料的屈服极限205MPa，静强度满足设计要求；
（2）第一阶振动频率为26.5Hz，最大位移出现在2mm安装板上；
（3）垂向、横向和纵向三个方向的随机振动1σ应力分别为：59、26.2、86.3MPa。纵向随机振动的疲劳损伤小于1。
经结构仿真证明，本文所述经外观改进后的母线高速断路器箱完全满足产品的结构强度设计要求。。
4 结论
本文所述母线高速断路器箱，已经成功应用于无锡地铁1号线，后续变型产品也成功应用在了北京地铁7号线，并获得客户一致好评。本文所阐述的如何使柜体在不影响其强度功能的情况下变的更美观，也是设计者在今后设计中应主要考虑的问题，为后续产品外观设计起到了一定的借鉴作用，并且本文对后续的牵引系统柜体结构规范化设计及柜体外观改进具有很大的参考价值。
参考文献
[1] 荣智林.TGN10型地铁车辆用DC1500V IGBT牵引逆变器[J].机车电传动，2004（4）：31.
[2] 陈文光.国产化北京地铁列车牵引电传动系统设计[J].机车电传动，2006（4）：46.
关键词：柜体外观；门结构；密封形式；改进；结构仿真
0引言
随着轨道交通行业的迅速发展，我们产品性能方面与发达国家的差距逐渐减小，一些产品甚至更有赶超之势，在国际市场上，我们的产品总在低价徘徊，即使与国外产品性能相似，但价格只是国外的几分之一，我认为除了技术之外，我们对国内产品的外观设计也应引起足够的重视。
目前城轨柜体的外观改进受到公司领导的极度重视，并对柜体外观改进进行了多次专题研讨。随着公司各类柜体产品生产规模的进一步扩大，柜体的美观以及制定统一的设计规范、确定统一的门的结构形式，是很有必要的。统一规范的制定也在很大的程度上减少了设计者的工作量。
出于对柜体的美观性，门的稳定性、密封性，工艺的可实施性，操作的方便性；及其适用范围和制造成本等方面的考虑，现对城轨柜体结构及外观改进进行详细分析。
1框架结构及外观的改进
框架的结构形式是影响整体外观质量的主要因素之一，现以无锡地铁1号线母线高速短路器箱为例，阐述在骨架结构设计方面做的改进。
改进前：U型梁焊接在U型底板上，形成受力框架；顶板折弯与顶横梁、顶侧梁焊接，U型顶竖梁焊接在底板上，从而形成柜体的总框架。
未改进前柜体框架存在问题：1）U型梁焊接在底板上，底板上的焊缝较多，热输入大，导致底板收缩严重，变形大，焊缝布置的不均匀也导致外观质量不好。2）侧板、顶板四周折弯后与骨架焊接，焊缝多，热输入大，导致侧板收缩严重，变形大，导致表面凹凸不平，需要采用火焰调平，而调平留下的斑点及打磨的痕迹，严重影响外观质量。3）此焊接方式调平后留下的大量凹凸不平的斑点及砂轮抛光痕，喷漆前柜体外表面平整度很差，油漆过程中需要整个表面刮涂大约1-2mm厚的腻子，才能修补平整。腻子层影响了降低了涂膜质量，也降低了生产效率。而且内表面不能刮涂腻子修补，油漆后这些缺陷更加明显，外观较差。
改进后柜体框架结构：使用U型梁及折弯板撘好受力的框架；表面采用蒙板与框架塞焊；板上只焊不受力的扎线杆或接地螺柱等小器件。
改进后柜体框架优点：1）用U型梁及折弯板撘好受力的框架，底板以塞焊的形式与框架上的梁相连接，从而底板上的焊缝很少，热输入小，收缩变形很小整体比较美观。2）侧板和顶板为平板结构，采用塞焊的形式与骨架相连，焊接方法为TIG焊，热输入小，变形小，不需要火焰调平，表面的外观质量良好。3）采用塞焊的形式与骨架相连，变形小，不需要火焰调平，表面的外观质量良好，柜体外表面除焊缝部位其它表面无需刮涂腻子，产品的外观质量得到提升，同时也保证了最终的涂膜质量。
针对柜体的外观设计，提出以下几点建议，为后续产品设计提供参考。1）在不影响强度的前提下，尽量减小顶板和侧板的焊缝，采用框架蒙皮结构或焊接铆接结构相结合的方法。2）在保证结构的承载能力的条件下，尽可能减少不必要的焊缝或将焊接结构改成铆接、螺栓连接结构，已减少变形。3）承载力较小的焊缝，尽可能采用TIG、电阻焊等热输入较少的焊接工艺。
2 门结构密封形式的统一
现城轨领域产品门结构存在问题：门结构及密封形式种类繁多，对产品规范化设计带来不利影响。针对此现象我司对门结构及密封形式进行了规范化设计。
针对之前门结构及密封形式的不足，对城轨产品门结构做了如下改进点：首先门挂钩和门把手相连，增加了门把手的受力强度，其次，门板冲压加强筋，增加了门的强度，并在门板的两侧增加了防脱落措施。
门的密封形式：在之前的地铁项目中，所使用过的密封形式如图2-4所示，这三种密封方式各有利弊，下面详细介绍一下以下三种密封方式的优缺点：
密封形式一：如图2-4，用一层密封条（密封条为海绵橡胶条（ISO29＼＼5*23），此种密封条的压缩量为2mm，每米的价格大概在7元左右），柜门与门框间用锁压紧，从而起到了密封的作用。工作原理：当水从门板与柜体的缝隙流入时。大部分水会被柜体上的反折弯边所阻拦，之后，从柜体四个方向上的反折弯边所组成的流通通道流走；而一小部分水会接触到密封条，如门框与密封条间有间隙，这部分水则有可能会渗入到柜内。优点：该密封方式同时适用于大、小两种箱体结构。大接触面压紧密封，结构简单，便于安装。成本较低。缺点：门框加工难度较大，焊接变形较大，焊后需要较严格的整形处理。不适用于厚钢板的加工。
密封形式二：如图2-4，用两层密封条（密封条为海绵橡胶条LS1022 ＼＼10*22，此种密封条的压缩量为3mm，每米的价格大概在12元左右；海绵橡胶条4504，压缩量为2mm， 14元/米），柜门与门框间用锁压紧，从而起到了密封的作用。工作原理：當雨水淋溅到柜体上时，由于外层密封条的主要保护作用，水很难从门板与柜体的缝隙间流入，很少一部分流入的水还会受到内层密封条的辅助保护作用。但流入的这部分水没有流通通道可以流出，其会与内层密封条长期接触，如门框与密封条间有间隙，水则有可能会渗入到柜内。优点：该种密封方式，大接触面压紧的外层主要保护+折弯边插入到密封条内部的内层辅助保护，双重保护措施，理论上的防尘防水效果比较好。缺点： 两种密封条与柜门、柜体的配合尺寸要求，以及柜体与外层密封条接触面的平面度要求都很高。如若控制不当，会导致外层密封条（此种密封条质地较硬）失去作用，最终导致密封失效。
密封形式三：如图2-4，用一层密封条（密封条为硅密封条15*10，此种硅密封条压缩量为6mm，每米的价格大概在30元左右），柜门与门框间用锁压紧，从而起到了密封的作用。。工作原理：当水从门板与柜体的缝隙流入时。水可以大面积地接触到密封条，如门框与密封条间有间隙，水则有可能会渗入到柜内；但因密封条的阻拦，大部分水会从柜体的折弯边与门的密封条所组成的流通通道流走。优点：该密封方式同时适用于大、小箱体结构。折弯边深插入到密封条内部密封，结构简单，便于安装。适用于厚钢板的加工。缺点：该密封方式容易对密封条造成破坏，使其失去密封性。且此种密封条每米的价格大概在30元左右，成本较高。 综上所述，针对无锡地铁项目，我们所采用的门结构为第三种密封形式，此种密封形式对密封条的弹性要求较高，在此项目上密封条全部更换为新的橡胶密封条，引进了苏州戴乐克工业锁具有限公司的密封条，并试验验证，此密封条防水性能较好且橡胶密封条弹性较高，满足门的密封要求。从而，在此项目上也实现了门结构和密封形式的统一。
3 结构强度仿真分析
无锡地铁1号线母线高速断路器箱吊装在车底下。其柜体结构强度、振动模态和疲劳寿命对内部电气设备的影响及行车安全至关重要。并对柜体进行结构静强度、振动模态、瞬态动力学和随机振动疲劳的仿真，来验证柜体是否满足设计要求。
有限元分析采用mm、N、tone、s单位制，输入参数时均需转换到该单位制。柜体材料0Cr18Ni9的机械性能参数为：密度7.8e-9tone/mm3、弹性模量2.0e5MPa、泊松比0.3、屈服强度205MPa。静强度分析根据TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及实验鉴定规范》规定的载荷——客车车体内外设备及其紧固零件应按相当于下列加速度的惯性力进行强度考核：纵向3g，横向1g，垂向3g（包括重力），其中g为重力加速度。此时所产生的三个方向的合成应力不得大于材料的屈服极限。
模态分析是计算柜体结构固有频率和确定柜体结构的振动形式，从而判断结构的整体或局部刚度。除安装座约束外，不用施加载荷。
瞬态动力学分析采用GB/T 21563-2008 规定的冲击加速度载荷——施加一系列持续时间为D、峰值为A 的单个半正弦脉冲加速度（见图3-1）。该变流器属于标准中规定的1 类A 级车体安装设备。垂向、横向和纵向冲击加速度幅值A 分别为30、30 和50m/s2，标称持续时间D 均为30ms。在计算时，还需要考虑柜体和安装电气设备有自重的影响。
随机振动分析采用GB/T 21563-2008 规定的ASD 频谱（见图3-2）。设备应该经受总共15h 的试验，三个互相垂直的方向分别做5h。变流器重量约为145kg，因此选取f1=5Hz、f2=150Hz。疲劳分析是在随机振动分析得到结构1σ、2σ、3σ Von Mises 最大应力的基础上，利用材料的S-N 曲线，并根据Steinberg 理论（结构在随机载荷作用下的响应是基于高斯分布）和Miner 线性疲劳累计损伤理论进行计算，从而对变流器柜体的疲劳寿命进行预估。假设材料为各向同性材料。在上述分析類型中为小变形、弹性分析类型。
仿真过程中，使用Pro/E野火5.0进行三维模型处理，HyperMesh9.0进行有限元模型前处理，ANSYS12.0进行计算及后处理。
仿真结果如下：
（1）最大应力小于材料的屈服极限205MPa，静强度满足设计要求；
（2）第一阶振动频率为26.5Hz，最大位移出现在2mm安装板上；
（3）垂向、横向和纵向三个方向的随机振动1σ应力分别为：59、26.2、86.3MPa。纵向随机振动的疲劳损伤小于1。
经结构仿真证明，本文所述经外观改进后的母线高速断路器箱完全满足产品的结构强度设计要求。。
4 结论
本文所述母线高速断路器箱，已经成功应用于无锡地铁1号线，后续变型产品也成功应用在了北京地铁7号线，并获得客户一致好评。本文所阐述的如何使柜体在不影响其强度功能的情况下变的更美观，也是设计者在今后设计中应主要考虑的问题，为后续产品外观设计起到了一定的借鉴作用，并且本文对后续的牵引系统柜体结构规范化设计及柜体外观改进具有很大的参考价值。
参考文献
[1] 荣智林.TGN10型地铁车辆用DC1500V IGBT牵引逆变器[J].机车电传动，2004（4）：31.
[2] 陈文光.国产化北京地铁列车牵引电传动系统设计[J].机车电传动，2006（4）：46.